列車駕駛界面人因適配性模型列車運維關鍵崗位作業認知理論鄭州鐵路職業技術學院主講人：?？?1列車司機人體模型02司機人體尺寸數據content目錄03人體運動學04列車駕駛界面產品模型04基于反向運動學的適配性預測模型04列車駕駛界面適配性模型的構建Part01列車司機人體模型Part01列車運維關鍵崗位作業認知理論列車司機人體模型人體模型是人體運動分析及建立人體姿勢預測的基礎。如果把人體當成運動機構，其機構模型及完成的各種動作具有復雜性和多樣性，因此需要針對列車的駕駛工作環境下司機人體模型進行簡化。為了正確說明人體的運動方向和人體各部位之間的位置關系，引人三個平面為水平面、冠狀面和矢狀面及這三個平面的相交軸線為垂軸、縱軸（矢狀軸）和橫軸（冠狀軸），如圖所示。圖5-1人體平面及人體軸Part01司機人體尺寸數據Part02列車運維關鍵崗位作業認知理論司機人體尺寸數據駕駛人因適配性設計選用的人體尺寸，應符合中國成年人人體尺寸的有關規定，在進行司機室各部空間尺寸設計以及顯示器、控制器、操縱裝置、通信設備布置時，滿足度應達到90%。表5-1中國成年人人體尺寸等數據對比以上數據，可以看出中國成年男子的身高尺寸在20年間有顯著增長?？紤]到中國人人體尺寸在未來處于增高的趨勢，且中國列車朝國際化市場的發展方向，因此，這里采用范圍更大的國際鐵路聯盟建議人體尺寸數據。司機人體尺寸數據列車的駕駛姿勢是坐姿，使用下肢操縱的器件僅有風笛開關，其余操縱作業任務均使用上肢操作完成，因此，駕駛界面適配性研究的人體模型采用坐姿上身模型。將原點設在司機坐姿狀態下人體軀干與大腿的交接點處，這個點同時也是座椅的H點。該固定坐標系的X軸指向前方，與人體的縱軸平行；Y軸指向上方，與人體軸的垂直軸平行；Z軸指向右邊，與人體的橫軸平行。表5-2坐姿人體的世界坐標系司機人體尺寸數據人體可以看成由很多連桿和關節構成的樹形層級結構，這里主要討論坐姿，其中的軀干部分，考慮到姿勢評估中對身軀的評價要求，將脊柱的部分簡化為一個連接桿結構。而對于手腕部關節，在適配性設計人體模型中亦進行簡化處理，假設其始終處于伸展姿態。圖5-3人體模型及關節坐標肢體的局部坐標系定義在近心端關節處，如上臂局部坐標系∑s的原點設定在肩關節位置，坐標系還包括表示X，Y，Z三個坐標軸的單位矢量es，es，es。在手臂下垂的初始狀態下，三個單位矢量分別與∑w的三個坐標軸平行。Part01人體運動學Part03列車運維關鍵崗位作業認知理論人體運動學模型運動學（kinesiology）是理論力學的一個分支，是運用幾何學的方法來研究物體運動的學科。在坐姿狀態下，人體的運動是由上身的各關節運動產生的，因此，對人體關節運動形式的分析可通過建立坐姿人體的運動學模型來進行。1上身關節及其運動形式由于駕駛適配性人體模型將脊柱、胸腰部分簡化為單一的衣領關節，腕關節和指關節簡化為統一的手部，這里討論主要關節如肩關節、肘關節、頸部關節等的運動特征。(1)肩關節(2)肘關節(3)脊柱(4)頸椎人體運動學司機人體運動模型在上述人體關節及運動形式分析的基礎上，針對前面對坐姿人體模型的定義，可以確定司機人體運動學模型。表5-2上身關節的運動形式及角度約束其中的根關節即人體軀干與大腿的交接點H點，反應脊柱運動的三個反向旋轉自由度；頸椎部的多個椎骨簡化為一個頸關節，并根據實際的觀察結果只保留Y、Z軸上的旋轉運動；肘關節的內旋與外旋為了便于后期的計算，將之移動到手部，并且由于它的運動不會影響對最終姿勢評價的結果，后面的工作中可以不予計算。人體運動學通過上述分析，可以得到三種基本的人體關節類型，分別是球鉸、萬向節和旋轉鉸。球鉸具有三個方向的旋轉自由度，萬向節具有兩個方向的自由度，而旋轉鉸只能繞一個軸進行旋轉。圖5-4繞X，Y，Z軸的滾動、偏擺和俯仰關節的旋轉帶動各肢體剛體的運動，從而形成整個身體的運動。因此，上肢關節的運動最基本的運動是繞X、Y、Z三個坐標軸的旋轉運動，分別稱為滾動（roll）、偏擺（yaw）和俯仰（pitch），如圖所示。Part01列車駕駛界面產品模型Part04列車運維關鍵崗位作業認知理論列車駕駛界面產品模型模型運動學（kinesiology）是理論力學的一個分支，是運用幾何學的方法來研究物體運動的學科。在坐姿狀態下，人體的運動是由上身的各關節運動產生的，因此，對人體關節運動形式的分析可通過建立坐姿人體的運動學模型來進行。上身關節及其運動形式由于駕駛適配性人體模型將脊柱、胸腰部分簡化為單一的衣領關節，腕關節和指關節簡化為統一的手部，這里討論主要關節如肩關節、肘關節、頸部關節等的運動特征。(1)肩關節(2)肘關節(3)脊柱(4)頸椎Part01基于反向運動學的適配性預測模型Part05列車運維關鍵崗位作業認知理論基于反向運動學的適配性預測模型人體關節和骨骼構成了運動鏈，如肩關節、肘關節、腕關節及骨骼就是一個運動鏈，確定整個運動鏈的位置及狀態是人體運動學研究的課題。圖5-5反向運動學問題描述運動的求解分為正向運動和反向運動。已知鏈上各個關節旋轉角，求各關節的位置信息和末端效應器（endeffector，EE）的位置信息，稱為正向運動學（forwardkinematics，FK）；若已知末端效應器的位置信息，求其運動鏈上各關節的旋轉角，這稱為反向運動學（inversekinematics，IK)。求解IK問題的方法求解IK問題的方法有很多，大致可以分為解析法、數值方法、綜合優化法及實例數據法等幾類。(1)解析法(2)數值法(3)綜合優化法(4)基于實例數據的求解方法綜上所述，解析法是數學分析方法，可以快速精確地得到最終解，而數值法則可對復雜的關節鏈進行優化求解。利用反向運動學可以方便地求出運動鏈上各關節的最終位置及其運動旋轉過程中的旋轉角。圖5-5反向運動學問題描述適配性預測計算模型列車司機的操作基于坐姿，基本運動都是上肢的運動，適配性預測計算模型在列車司機人體模型的基礎上如下定義。人體上身，上肢的上臂、前臂，頭部和手部均為剛體，其形狀在上肢運動過程中保持不變。根關節、肩關節、肘關節、頸關節均為轉動關節，即構成關節的剛體之間只有轉動，沒有相對移動。模型中，根關節和肩關節有三個自由度，肘關節有一個自由度，頸關節有兩個自由度。適配性預測計算的各關節的初始位置是已知條件，末端效應器的目標位置是輸入條件。Part01列車駕駛界面適配性模型的構建Part05列車運維關鍵崗位作業認知理論列車駕駛界面適配性模型的構建模型的初始化列車適配性預測計算模型結合列車司機人體模型與列車駕駛界面產品模型，組成了列車駕駛界面幾何適配性模型，人體模型與操縱臺具有如圖所示的相對位置關系。圖5-7列車駕駛界面模型與人體模型的位置關系確定人體與操縱臺的相對位置關系后，此時將全局坐標系設置在人體H點處，并根據操縱臺的位置定義手部操作的起始位置。列車駕駛界面適配性模型的構建圖5-8駕駛適配性界面的初始設置根據列車操縱的相關規章，列車司機在駕駛運行過程中，手部不得離開操縱臺面或主令控制器（牽引控制器和制動控制器）。這里描述的列車駕駛界面適配性模型中，將操縱動作的起始位置設在牽引與制動控制器后靠司機側臺面上，如此即可確定列車駕駛界面適配性模型的初始條件。末端效應器的設置末端效應器目標位置的設置算法步驟如下:圖5-9末端效應器的設置步驟1：根據運動時間，以20ms的間隔初始化總的求解幀數量。步驟2：根據末端效應器的起始位置初始化起始幀位置。步驟3：根據運動時間函數積分求解當前幀自起始點的軌跡長度。步驟4：由軌跡方程根據軌跡長度計算當前位置。步驟5：將當前位置賦值給末端效應器，完成反向運動學的求解，輸出當前肢體位姿，判斷是否到達結束幀，如果到達，結束該操縱任務模式，如還未到達，則重復步驟3~步驟5。末端效應器的求解在這里討論兩種情況一是末端效應器ZRORYR平面投影為直線的情形，此時位置的求解相對簡單，只需根據速度函數進行積分，得到距離再反求相應坐標即可；二是末端效應器在ZRORYR平面投影為拋物線，此時計算就相對較復雜一些下面討論末端效應